玻璃生產線中工業廠房供配電設計原則

張 麗

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

1 配電設計負荷分類及供電需求

在供配電設計中，電力負荷分類要根據供電可靠性要求、供電中斷對人身安全造成的影響以及經濟損失的不同，將負荷分為三類。若滿足中斷供電將引發人身傷害、用電單位生產中斷及嚴重經濟損失的負荷視為一級負荷。對于一級負荷，我們通常考慮雙回路電源供電來滿足其供電可靠性的要求。此外，一級負荷中，供電中斷會引起人身傷亡、中毒、火災或重大設備嚴重損壞以及特殊場所不能斷電的負荷，則要視為一級負荷中特別重要負荷，比如生產電源中斷時停產處理所需的應急照明、通信以及自動控制裝置等[1]。對于一級負荷中特別重要的負荷，我們可以專門設置不間斷電源來提高該類用電負荷的供電可靠性，同時，嚴格禁止其他負荷接入，并且，供電電源切換時間必須符合標準。二級負荷是指中斷供電可能影響重要用電單位工作及造成較大程度經濟損失的用電負荷。除一、二級負荷以外的負荷屬于三級負荷。對此，通常考慮單回路電源供電即可。為確保應急電源的專用性，其與正常電源間要進行防并列運行處理，比如應用機械或電氣互鎖等方式來保證當電源故障后，應急電源不會出現向正常電源倒送電的情況。同時還需防止繼電器有可能誤動而造成應急電源與正常電源誤并網。

2 配電設計低壓電器選擇及線路保護

對于玻璃生產線配電設計來說，還需要考慮一個安全因素即低壓配電線路保護及低壓電器的選擇。低壓電器是用于額定電壓交流1 000 V或者直流1 500 V以下回路中起保護、控制、調節、轉換和通斷作用的電器。我們需要根據工作條件、保護選擇性、使用環境等多方面的因素結合去選擇可靠的低壓電器來確保配電線路通斷不會陷入異常。低壓配電線路是電力傳輸中不可或缺的媒介，其危險事故發生率極高，大大地增加了低壓配電系統發生安全事故的頻率。應按GB50054—2011《低壓配電設計規范》的要求裝設過負荷和短路保護以及故障防護，用以發出故障報警信號并且及時通斷電流。過負荷保護是指保護電器在過負荷電流引起導體周圍元器件受損前，分斷該電流。短路保護是指保護電器在短路電流對導體及相連結處由于熱效應燒毀電路前，對此電流進行分斷。保護選擇性以電力系統中的各種自動保護裝置為保護對象，如果電力系統發生故障，那么，故障點處的保護設備將動作，其上級保護設備不發生動作，此處包含完全與部分選擇性兩種情況。對于電力系統，往往出現在線路發生故障時，電源側保護器在負載側保護器動作前誤動，無法精準切斷問題負荷的情況。故對于一個安全可靠的配電系統來說，低壓配電線路上下級保護電器須有選擇性的動作，各級之間應能協調配合，使得出現故障時，僅靠近故障點的電路斷開，停電范圍最小。如斷路器的保護性選擇及時間選擇上，下、上級斷路器的脫扣時間有所延時，做到下級斷路器優先脫扣。短路保護電流的整定值比值>1.5； 能量選擇性上，如果檢測到大短路電流存在，下級斷路器可以做到迅速限流，使上級斷路器的電能可供其脫扣，斷路器的電流比>2.5[2]。 故選擇合適的低壓電器以及有效的上下級配合，對于保證供電線路的可靠性來說非常重要，即使發生事故，也可以盡量提高人身安全，減少企業經濟損失。

3 配電設計節能措施

在滿足供電需求安全可靠的前提下，應采取有效的節能措施。在進行準確的負荷計算后，按電源及負荷特點合理確定變電所(站、室)的位置，配置無功功率補償，選擇節能型電氣設備。首先，應該盡量讓變電所(站)位置靠近負荷中心，在保證負荷供電需求的前提下，做到盡可能減少變壓器級數，縮短供電半徑，可以避免多次壓降。目前設計的大部分玻璃生產線項目一般不超過3級壓降即35/10/0.38 kV或者110/10/0.38 kV。同時在低壓配電過程中，不可避免地存在單相負荷，如果出現單相不平衡或者單相負荷不同期的現象，會造成變壓器中性點偏移，最終造成各項電壓不平衡，降低了供電質量，還帶來了較大的電能損耗，故在配電設計過程中，應進一步優化供電分配從而實現能耗降低的目的。節能節電對于提高功率因數是至關重要的。對于輸電線路來說，在線路電壓和所輸送的有功功率P一定的情況下，提高電力線路輸送負荷的功率因素，可以減少線路損耗。對于變壓器來說，提高變壓器二次側的功率因素，可以減少變壓器的銅損，增加發配電設備的供電能力，減小線路的截面及變壓器容量，節約設備投資。對于玻璃生產線這類工業用戶，國家電網要求功率因素應大于0.9，在35～220 kV變電站中，在主變壓器最大負荷時，一次側功率因素要在0.95及以上，在低谷負荷時，則滿足功率因素在0.95及以下。10 kV電壓等級額定容量30～2 500 kVA干式配電變壓器能效等級按GB20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》規定，能效等級分為3級，1級能效最低，3級能效最高。在工程設計中選擇變壓器時，多選擇空載損耗和負載損耗能效為2級或者1級的變壓器。

4 配電設計原則在玻璃生產線上的實際運用

根據以上工業廠房配電設計原則，結合玻璃生產線的工藝特性，以及多個不同項目案例的實際經驗，關于玻璃工業廠房配電設計，總結了以下的設計心得。

4.1 玻璃生產線配電設計中變壓器選擇

通常由上級供電電源點的兩段母線上分別配出兩路10 kV電源到聯合車間變電所及公用變電所,對于變壓器的容量選擇采取“N-1”原則,即當其中一路發生故障時,另一路可以帶起全部生產用所需負荷，這對于整個廠區配電需求的可靠性來說得到了滿足。并且，根據業主要求及項目實際情況，部分生產線還會設置柴油發電機組作為備用電源可以滿足突發情況下的保窯或者保生產需求。考慮到玻璃工藝生產狀況及工藝性質，往往設備裝機容量較大,但正常生產時實際運行負荷較輕,只在30%左右。如果選擇過大變壓器容量，這樣增加了不需要的經濟投資，為此進行了深入地探討研究。經過長期監視、測控玻璃生產線上各變電所變壓器的運行方式和運行負荷,綜合分析對比后，提出以下措施：在聯合車間兩側輔房的中間位置設置車間變電所，使其盡量位于整個生產線的負荷中心，縮短了供電半徑，提高供電的可靠性，減少了纜線成本，方便施工。其次，對于變壓器數量和容量的選擇，考慮到只有在烤窯期間、或者突發錫槽斷板或滿槽事故時、再或者8 年左右一次冷修期時，才會開啟錫槽電加熱對錫槽加溫，此時會接近滿負荷運行，故在此情況下，變壓器容量無需互為備用，只有當正常生產時，才考慮變壓器互為備用的情況。這樣的考慮可以大大減少變壓器的不必要投入，降低了投資成本，在保證供電需求的情況下，充分地利用了變壓器的容量。由于玻璃生產線上大部分的用電設備均為感性，時常出現功率因素過低的情況，在用電設備的功率因素不滿足要求時，采用無功補償是提高功率因素最好的辦法。通常我們會在35 kV/10 kV及變壓器低壓側設置無功補償。微機控制的低壓補償電容器柜，根據無功負荷波動情況，對投入的電容器組數量實時改變調整，從而實現跟蹤補償，使得各配電變壓器低壓負荷總功率因素提升，能在一定程度上降低配電網和配電變壓器的能耗損失，使得負荷側的電壓水平提升，達到較為理想的補償效果。

4.2 玻璃生產線配電設計中導線、電纜選擇

為了確保工業廠房供配電真正處于安全穩定的運行狀態，應重視電纜和導線的選擇，須充分考慮到供配電線路的溫升條件、電損程度、電纜抗損強度、允許的電壓降落、敷設環境、敷設方式和負載保護等多方面因素。一般情況下，配電線路都會先按照發熱情況來選擇截面，以確保導體的實際工作溫度不會超過允許值，導體按發熱條件的允許長期工作電流(或稱載流量)不應小于線路的工作電流。在選擇完截面以后再校驗機械的強度和電壓損耗程度。此外，對于用電設備電子端來說，若電壓偏離額定值時，其性能將大大受到影響，比如一些風機水泵可能出現無法正常啟動的情況。所以，對于一些較遠距離的配電線路來說，還需要考慮其電壓降落，可以適當放大電纜的截面積來減少線路上的電壓損耗。另外，在一些特定場所，還需要用一些特殊材質的電纜，如在火災危險場所，我們需要改用耐火電纜、阻燃電纜等來進行敷設。在電纜直埋地敷設時，當有可能承受較大電壓或者存在機械損傷危險時，應采用鋼帶鎧裝電纜或者鋁合金連鎖鎧裝電纜。只有選擇合適的電纜，方能保證供配電線路可靠傳輸，工業廠房才能安全生產。

4.3 玻璃生產線配電設計中防雷接地措施

為防止或者減少由于雷擊對于工業廠房產生的人身傷亡和財產損失，以及雷擊電磁脈沖引發的電氣和電子系統的損壞，應該因地制宜地對工業廠房及建筑物采取防雷措施。根據建筑物的重要性、使用性質、發生雷擊事故后可能性的不同，對于第一、二、三類防雷建筑物分別采取不同的防雷措施[3]。對于彩鋼屋面的建筑物，宜利用屋面彩鋼板本身作為接閃器，對于混凝土屋面，則需要在屋面敷設接閃帶，其形成的網格尺寸需滿足相關規范值。利用建筑物結構鋼立柱或者混凝土立柱中兩根直徑不小于φ10的主筋作為引下線，并采用建筑物的鋼筋基礎做環形接地體。防雷和電氣接地共用基礎接地體時，接地電阻要符合國家標準，當實際測量的電阻值不符合標準要求時，則要加設人工接地極。此外，對于存貯、輸送易燃氣體或液體的罐體及管道，須作防靜電接地處理，接地電阻也應該符合相關專業的國家規范值。此外，當有低壓電源進線從戶外引來時，該進線柜必須裝設電涌保護器[4]。

5 結 論

近幾年來玻璃生產線新建數量迅猛增長，遍布在中國各地,且大部分業主多為先進企業。在玻璃工業不斷進步的同時,對電氣設計的要求也越來越高,大部分業主對于電氣設計提出了安全、節能、高效、智能化等多方面要求。如上所述，工業廠房供配電系統設計是一項涵蓋多領域知識的重要綜合性設計工作，要求設計者在日常項目中仔細觀察，反復對比，不斷優化供配電系統設計，真正實現一次投資及后續環節成本最小化，最大化地減少供配電損耗，確保工廠的產品平均耗電量達到最低水平，更好地滿足企業持續穩定發展的需求。